Днк расположение в клетке: Строение ДНК

Содержание

Росcийские биологи научились исследовать расположение ДНК в отдельной клетке

Ученые биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Института биологии гена РАН и их коллеги из Австрии и США впервые построили подробные карты пространственной организации генома в индивидуальных клетках и изучили особенности пространственной организации материнского и отцовского геномов в зиготах мыши. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature.

В ядрах клеток молекулы ДНК упакованы в особые структуры, хромосомы, которые можно представить себе как сложные, но не случайным образом спутанные клубки. Вещество хромосом, представляющее собой в основном комплекс ДНК, РНК и белков, называется хроматином. Биологи разработали новую методику изучения того, как хроматин упакован в ядре живой клетки. Эта методика является значительно усовершенствованным вариантом классического подхода к исследованию трехмерной структуры генома — Hi-C (high-throughput chromosome conformation capture).

«Возьмем три условных участка ДНК: А, B и С. Первые два расположены друг за другом в геноме — они соседи, а третий, предположим, находится от них на расстоянии в несколько миллионов пар нуклеотидов. Но хромосома может быть так упакована, что фрагмент С окажется рядом с А или В в пространстве. Мы можем установить этот факт (не для трех случайных участков ДНК, а в масштабе всего генома одновременно) и использовать эту информацию для построения карт пространственной структуры хроматина в живой клетке, так работает метод Hi-C», — рассказал один из авторов работы, кандидат биологических наук Сергей Ульянов.

В стандартном методе Hi-C для проведения одного эксперимента, как правило, требуется несколько сотен тысяч и даже миллионов клеток. Однако новая методика позволяет работать с одной отдельно взятой клеткой и составлять ее индивидуальную карту трехмерной структуры хромосом. Основным новшеством в этой методике является отбор единичных ядер на заключительном этапе Hi-C-эксперимента и проведение так называемой полногеномной амплификации — процесса, в котором с использованием особого фермента можно получить десятки тысяч копий ДНК из одного клеточного ядра.

«Мы провели анализ пространственной организации генома в зиготах мыши. Оказалось, что ядра, мужское и женское, которые сосуществуют в одной клетке, в зиготе, принципиально различаются по тому, как в них уложен геном. В ядре, сформировавшемся из ядра сперматозоида, активные участки генома в пространстве отделены от неактивных, а в ядре с материнским геномом этого не наблюдается. Во всех предыдущих исследованиях в клетках млекопитающих это разделение имело место, так что это очень неожиданный результат», — прокомментировал один из авторов статьи, Илья Флямер.

Пространственная организация хроматина является важным регуляторным инструментом, который клетка использует для управления экспрессией генов. В последнее время в научной литературе появляется все больше сообщений о том, что нарушения нормальной упаковки ДНК в ядре связаны с рядом тяжелых заболеваний человека и в первую очередь с некоторыми раковыми опухолями. Технология Hi-C на единичных клетках в будущем позволит исследовать отдельные, в том числе крайне немногочисленные, субпопуляции раковых клеток в составе опухолей и, возможно, приблизит нас к пониманию механизмов возникновения злокачественных новообразований.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected].

Из чего состоит ДНК | Структура цепей и молекул ДНК

Из чего состоит ДНК? Кому и когда удалось найти эту молекулу в клетках людей, и прочих живых существ? В чём уникальность открытия механизма наследования и чем это обернулось для всего человечества, читайте далее в этой статье.

История

Открытие дезоксирибонуклеиновой кислоты произошло в 1869 году. И принадлежит открытие Иоганну Фридриху Мишеру. Он был биологом из Швейцарии и занимался изучением гноя. По большому счёту открытие можно назвать случайным, и сам Мишер не понял, что именно он открыл. Он назвал своё открытие нуклеином. А позже нуклеиновой кислотой, когда у неё обнаружились кислотные свойства.

Назначение этой кислоты было загадочно и неизвестно, хотя некоторые учёные уже поднимали вопрос о наследственности и существовании механизмов наследования. Современное представление о том из чего состоит цепь ДНК, было сформировано Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году. Несколько ранее, в середине тридцатых годов советские ученые А.Р. Кезеля и А.Н. Белозерский доказали, что ДНК встречается у всех живых видов. До их работы считалось, что эта молекула присутствует только в организме животных видов, а в растениях присутствует только РНК.

Тот факт, что дезоксирибонуклеиновая кислота является механизмом сохранения наследственной информации, был открыт только в 1944 году группой исследователей из Освальда. Так, совокупными усильями разных учёных мира была приоткрыта тайна эволюционного процесса и механизмов в его основе.

Использование в медицине

Открытие того из чего состоит молекула ДНК дало толчок к развитию множества новых услуг и направлений экспериментальной медицины. Благодаря новым технологиям, которые стали возможны вследствие исследования генома, сегодня почти любому доступны:

Диагностика заболеваний на сверхранней стадии. Анализ позволяет выявить инфекцию, даже если заболевание находится в инкубационном периоде, и нет ни каких симптомов.

Определение отцовства. Так же материнства и прочих родственных связей. При этом различные тесты можно проводить, как с участием потенциальных родителей, так и без них.

Тестирование на непереносимость пищевых продуктов. Какие вещества хорошо усваиваются организмом, какие плохо или не усваиваются вовсе, что вызывает аллергические реакции – всё это расскажут результаты индивидуального исследования.

Анализ этнической принадлежности – с какими народами перекрещивались далекие предки, и какие национальности формируют вас сегодня.

Исследование на наличие наследственных заболеваний, в том числе и спящих, которые передаются через поколение и более.

И это только самые востребованные тесты, имеющие коммерческий интерес и полезные для простого обывателя. Если говорить о перспективах лабораторных научных исследований, то многие учёные-генетики не без энтузиазма готовятся совершить самое великое открытие за всю человеческую историю — победить болезни и саму смерть.

Строение молекулы ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота состоит из двух цепочек нуклеотидов, которые объединены меж собой водородными связями и закручиваются в двойную спираль. Нуклеотиды в каждой цепи — это кирпичики, из которых складываются гены, биологическая их кодировка. Для каждого гена его место положения в цепочке и порядок нуклеотидов условно одинаков. Условно поскольку у одного гена возможны вариации, различное расположение некоторых нуклеотидов в составе гена. Но, в таком случае вместе со сменой структуры меняется и функциональность самого гена.

Путь от цепочки к хромосоме

У всех живых организмов клеточная структура и эти клетки содержат внутри себя ядро – такие клетки называются эукариоты. У бактерий и архей (древних одноклеточных организмов) такого ядра нет. Так же ядра в клетке нет у вирусов и вироидов ( инфекционных агентов, вызывающих болезни растений), но считать ли их живыми до сих пор вопрос дискуссионный.

Ядра клеток содержат в себе структуры, хранящие наследственную информацию – хромосомы. А вот сама хромосома и содержит внутри себя спиральную молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты, которая осуществляет функцию хранения наследственной информации.

Процесс упаковки ДНК спиралей

Спираль генов, как не казалась бы она мала, всё же очень большая для микромира. Вероятно отсюда и её спиральная форма, которая позволяет ей быть более компактной. Помимо обычной спиральности ДНК может закручиваться и в форму суперспирали. Суперспирализация – это явление, когда двойная спираль накручивается на гистоновый белок, и получается, что-то вроде биокатушки. Если закручивание в двойную спираль укорачивает цепочку генов в 5 или 6 раз, то суперспирализация доводит это сокращение до 30 раз.

Как гены связаны с ДНК

Гены это самая изученная и расшифрованная на сегодня часть ДНК. Так, каково строение генов ДНК? Фактически цепочки нуклеотидов из генов и состоят. Именно гены определяют цвет глаз, волос, форму черепа, рост, группу крови и прочие физиологические качества.

Остаётся ещё много областей генома, функциональность которых не известна. Всё, что пока о них могут сказать генетики, это то, что данные области генома не участвую (по крайней мере, напрямую) в формировании организма и его функционировании.

Хромосома: определение и описание

Считается, что хромосомы это нуклеотидные биомеханизмы, которые находятся в ядре клетки. Эти биомеханизмы являются носителями и передатчиками наследственной информации, и в свою очередь содержат в себе двойную спираль дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Чем отличаются хромосомы друг от друга

На примере Х хромосомы, цепи нуклеотидов могут пересекаться внутри хромосомы различно:

В перекрестии хромосомы, пересекаясь точно посередине друг друга.

Там же, но пересекаясь не точно.

Во втором случае одни концы получившегося перекрестия будут длиннее, а другие короче. Называют такие концы длинным и коротким плечом хромосомы. Отсюда и форма Y хромосомы, у которой ярко выражены длинные плечи, а короткие настолько не велики, что схематически не указываются.

Науке известных хромосомы трёх основных форм:

Х хромосома, которая встречается у женщин и у мужчин.

Y хромосома, встречающаяся только у мужчин.

В хромосома изредка встречается у растений, и считается отмирающей, поскольку редко наследуется. Обычно её наличие в растении связывают с его слабостью и болезненностью.

Всего в клетке человеческого организма находится 46 парных хромосом: 22 пары «обычных» и одна пара половых (ХХ у женщин и XY у мужчин). Интересный факт – если добавить или отнять всего одну пару хромосом, человек может стать помидором или орангутангом.

Наследственные болезни

Генетический код это очень многофункциональная и противоречивая структура. С одной стороны он должен хранить информацию в неизменном эталонном виде, и эта функция проявляется возможностью ДНК восстанавливать искусственные повреждения в следующем поколении. С другой же стороны, геном может быть либо поврежден, либо измениться сам, что называют мутацией.

Мутации естественное свойство генов, и последствия этих мутация бывают, как отрицательные, так и положительные. Хоть мутации и называют поломками, но это определение спорно. Некоторые мутации в чём-то ослабляют организм – именно эти мутации и ищут во время тестирования на непереносимость пищевых продуктов.

Такие мутации создают повышенные риски возникновения, какого либо заболевания при соблюдении некоторых факторов. Соответственно, если исключить эти факторы из своей жизни, то с ними будут исключены и вероятности возникновения заболевания.

Существуют и более сложные повреждения ДНК человека, которые вызывают врождённые наследственные заболевания. Например, одна лишняя хромосома в 21 паре вызывает у человека болезнь Дауна с самого рождения.

Расшифровка ДНК

Расшифровка ДНК клетки это большое и дорогостоящее исследование всех известных человеческих генов. А после завершения исследовательского проекта «Геном человека» это порядка 25 тысяч генов. И хоть расшифровка значительно подешевела, и за прошедший десяток лет упала со ста тысяч долларов до двух тысяч на одного человека, далеко не каждому это покажется приемлемой ценой.

Для удешевления медицинских и генетических исследований всю расшифровку генома разделили тематически. Так стали появляться различные тестирования, по этому принципу они и планируются – выборка генов отвечающих за интересующие тематику исследования процессы.

Синтез РНК

Нуклеотиды (из которых формируются гены) подразделяются на 4 образующих элемента: аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые содержат остатки фосфора, пептозы и азотистого основания. В цепочках ДНК эти нуклеотиды располагаются параллельно друг другу строгими парами: аденин только с тимином, а гуанин только с цитозином.

Необходимо подчеркнуть, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты ни целиком, ни частично не может (или не должна) покинуть пределов ядра. РНК выступает в роли копии участка цепи генома, которая способна покинуть ядро, попасть в саму клетку и воздействовать на идущие в ней процессы. И происходит это удивительным образом:

Спираль генов раскручивается на одном из своих участков и формирует развернутые нити обоих цепочек генов.

К развернутому участку подходит специальный фермент-строитель и поверх этого участка синтезирует копию.

У копии есть одно ключевое отличие от оригинальной структуры нуклеотидов: тимин во всех парах ней заменён на урацил. Это и позволяет ей покидать пространство ядра клетки.

<br />

Синтез белка при помощи генов

Основное взаимодействие, которое происходит между генами и клеткой заключается в том, что разные гены могут заставлять клетку синтезировать различные белки с самыми неожиданными свойствами. Так группа генов участвующих в процессе старения клетки может, как заставить её стареть быстрее, так и омолаживаться. То есть, генов не только много, каждый из них может спровоцировать синтез нескольких видов белка.

Факты о ДНК

Редко, но бывают случаи, когда при беременности сначала развиваются близнецы, но потом они сливаются в единого человека. У таких людей двойное ДНК.

Иногда и генная криминалистика даёт сбои. Так, после пересадки костного мозга в теле пациента присутствует некоторое количество ДНК донора, и это может привести к ошибке тестирования.

Самым похожим на человеческий геном ДНК обладают земляные черви.

Вся цифровая информация в мире могла бы поместиться в двух граммах дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Сотовый | Определение, типы, функции, схема, деление, теория и факты

животная клетка

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:: Торбьорн Оскар Касперссон
Даниэль Мазия
Фред Х. Гейдж
Линн Маргулис
Ральф М. Штейнман

Похожие темы:: стволовая клетка
салфетка
жировая клетка
восстановление ДНК
мембрана

Просмотреть весь связанный контент →

Прочтите краткий обзор этой темы

клетка , в биологии основная связанная с мембраной единица, содержащая основные молекулы жизни и из которой состоят все живые существа. Отдельная клетка часто сама по себе является целым организмом, таким как бактерия или дрожжи. Другие клетки приобретают специализированные функции по мере своего созревания. Эти клетки взаимодействуют с другими специализированными клетками и становятся строительными блоками больших многоклеточных организмов, таких как люди и другие животные. Хотя клетки намного больше атомов, они все же очень малы. Самые маленькие известные клетки представляют собой группу крошечных бактерий, называемых микоплазмами; некоторые из этих одноклеточных организмов представляют собой сферы размером всего 0,2 мкм в диаметре (1 мкм = примерно 0,000039дюймов) с общей массой 10 ^-14 граммов, что равно массе 8 000 000 000 атомов водорода. Клетки человека обычно имеют массу в 400 000 раз больше, чем масса одной микоплазменной бактерии, но даже человеческие клетки имеют диаметр всего около 20 мкм. Чтобы покрыть головку булавки, потребовался бы лист примерно из 10 000 человеческих клеток, а каждый человеческий организм состоит из более чем 30 000 000 000 000 клеток.

сходства и различия клеток

Посмотреть все видео к этой статье

В этой статье клетка обсуждается как отдельная единица, так и составляющая часть более крупного организма. Как индивидуальная единица, клетка способна усваивать свои собственные питательные вещества, синтезировать многие типы молекул, обеспечивать свою собственную энергию и воспроизводить себя, чтобы производить последующие поколения. Его можно рассматривать как закрытый сосуд, внутри которого одновременно протекают бесчисленные химические реакции. Эти реакции находятся под очень точным контролем, так что они способствуют жизни и размножению клетки. В многоклеточном организме клетки становятся специализированными для выполнения различных функций в процессе дифференцировки. Для этого каждая клетка поддерживает постоянную связь со своими соседями. Получая питательные вещества из окружающей среды и выбрасывая в нее отходы, она прикрепляется к другим клеткам и сотрудничает с ними. Кооперативные сборки подобных клеток образуют ткани, а кооперация между тканями, в свою очередь, образует органы, выполняющие функции, необходимые для поддержания жизни организма.

Рассмотрим, как одноклеточный организм содержит необходимые структуры для питания, роста и размножения

Просмотреть все видео к этой статье

Особое внимание в этой статье уделяется животным клеткам с некоторым обсуждением процессов синтеза энергии и внеклеточных компоненты, присущие растениям. (Для подробного обсуждения биохимии растительных клеток см. см. фотосинтез. Для полного рассмотрения генетических событий в клеточном ядре см. см. наследственность.)

Брюс М. Альбертс

Природа и функции клеток

Клетка окружена плазматической мембраной, которая образует селективный барьер, который позволяет питательным веществам проникать и выходить отходам. Внутренняя часть клетки организована в виде множества специализированных отделений или органелл, каждое из которых окружено отдельной мембраной. Одна главная органелла, ядро, содержит генетическую информацию, необходимую для роста и размножения клеток. Каждая клетка содержит только одно ядро, тогда как другие типы органелл присутствуют во множественных экземплярах в клеточном содержимом или цитоплазме. Органеллы включают митохондрии, которые отвечают за энергетические обмены, необходимые для выживания клеток; лизосомы, которые переваривают нежелательные вещества внутри клетки; и эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, которые играют важную роль во внутренней организации клетки, синтезируя выбранные молекулы, а затем обрабатывая, сортируя и направляя их в нужное место. Кроме того, растительные клетки содержат хлоропласты, отвечающие за фотосинтез, при котором энергия солнечного света используется для преобразования молекул углекислого газа (CO ₂ ) и воду (H ₂ O) в углеводы. Между всеми этими органеллами находится пространство в цитоплазме, называемое цитозолем. Цитозоль содержит организованный каркас волокнистых молекул, составляющих цитоскелет, который придает клетке форму, позволяет органеллам двигаться внутри клетки и обеспечивает механизм, с помощью которого может двигаться сама клетка. Цитозоль также содержит более 10 000 различных видов молекул, которые участвуют в клеточном биосинтезе — процессе образования больших биологических молекул из малых.

Специализированные органеллы характерны для клеток организмов, известных как эукариоты. Напротив, клетки организмов, известных как прокариоты, не содержат органелл и обычно меньше эукариотических клеток. Однако все клетки имеют сильное сходство в биохимических функциях.

Молекулы клеток

Узнайте, как клеточные мембраны регулируют потребление пищи и отходы и как клеточные стенки обеспечивают защиту

Посмотреть все видео к этой статье

Клетки содержат особый набор молекул, окруженных мембраной. Эти молекулы дают клеткам возможность расти и размножаться. Общий процесс клеточного размножения происходит в два этапа: рост клеток и деление клеток. Во время роста клетка поглощает определенные молекулы из своего окружения, избирательно перенося их через свою клеточную мембрану. Оказавшись внутри клетки, эти молекулы подвергаются действию узкоспециализированных, больших, искусно свернутых молекул, называемых ферментами. Ферменты действуют как катализаторы, связываясь с проглоченными молекулами и регулируя скорость их химического изменения. Эти химические изменения делают молекулы более полезными для клетки. В отличие от проглоченных молекул, катализаторы сами по себе не изменяются химически во время реакции, что позволяет одному катализатору регулировать конкретную химическую реакцию во многих молекулах.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться сейчас

Биологические катализаторы создают цепочки реакций. Другими словами, молекула, химически преобразованная одним катализатором, служит исходным материалом или субстратом для второго катализатора и так далее. Таким образом, катализаторы используют маленькие молекулы, попавшие в клетку из внешней среды, для создания все более сложных продуктов реакции. Эти продукты используются для роста клеток и репликации генетического материала. Как только генетический материал скопирован и имеется достаточное количество молекул для поддержки клеточного деления, клетка делится, образуя две дочерние клетки.